钢结构材料及性能-影响钢材性能主要因素

影响钢材性能主要因素——反复荷载作用一、加荷速度的影响这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载5分钟后再读数据。影响钢材性能主要因素——反复荷载作用二、循环荷载的影响钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏（疲劳破坏）。事实上，钢材总是有“缺陷“的、在直接、连续的反复荷载作用下，先在其缺陷处发生塑性变形和硬化而生成微观裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，构件截团削弱并在裂纹尖端出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，钢材的微裂纹和内部缺陷将不断扩展直至断裂，钢材的强度将低于一次静力荷载作用下的拉仲试验的极限强度，表现为脆性特征的疲劳破坏。影响钢材性能主要因素——反复荷载作用影响钢材性能主要因素——钢材的硬化一、冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象。影响钢材性能主要因素——钢材的硬化二、时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。影响钢材性能主要因素——钢材的硬化三、应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。在高温作用下会快速发展（人工时效）影响钢材性能主要因素——钢材的硬化四、硬化的影响影响钢材性能主要因素——钢材的硬化

硬化对钢材性能的影响a)时效硬化及冷作硬化b)应变时效硬化影响钢材性能主要因素——化学成分的影响钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。铁（Fe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等有益元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量不大，约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有＜5%的合金元素，如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。影响钢材性能主要因素——化学成分的影响1.碳（C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。碳素钢按碳含量区分，小于0.25％的为低碳钢，介于0.25％和0.6％之间的为中碳钢，大于0.6％的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%以下，当其含量在0.2％以下时，可焊性良好。影响钢材性能主要因素——化学成分的影响2.硫（S）钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到800-1000℃时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%。3.氧（O）有害杂质，与S相似。影响钢材性能主要因素——化学成分的影响4.磷（P）磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过0.045%。5.氮（N）有害杂质，与P相似。影响钢材性能主要因素——化学成分的影响6.锰（Mn）有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与S形成MnS，熔点1600℃，可以消除硫对钢材的热脆影响。7.硅（Si）有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。影响钢材性能主要因素——化学成分的影响8.钒（V）合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。9.铜（Cu）提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。影响钢材性能主要因素——化学成分的影响影响钢材性能主要因素——生产过程的影响一、钢材的生产钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。影响钢材性能主要因素——生产过程的影响1.炼钢转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）电炉钢是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）影响钢材性能主要因素——生产过程的影响2.浇注浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。用连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭工艺和设备。3.脱氧钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降低钢材的力学性能。按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。影响钢材性能主要因素——生产过程的影响二、冶金缺陷的影响

1.偏析：金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。

2.非金属夹杂：指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。3.裂纹：钢材中存在的微观裂纹。4.气泡：浇铸时由FeO和C作用所生成的CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。5.分层：浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。影响钢材性能主要因素——生产过程的影响影响钢材性能主要因素——温度的影响一、正温范围：（1）温度在150℃以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于150℃的场合。（2）温度在250℃左右的区间内出现蓝脆现象，fu有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。（3）当温度达到600℃时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。影响钢材性能主要因素——温度的影响

温度对钢材力学性能的影响℃fufyδE二、负温范围随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。影响钢材性能主要因素——温度的影响

温度对钢材力学性能的影响℃fufyδE三、冲击韧性和温度关系示意图（1）冲击功曲线的反弯点T0称为转变温度。界限温度T1和T2分别为脆性转变温度和全塑性转变温度。影响钢材性能主要因素——温度的影响冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1T0T2三、冲击韧性和温度关系示意图（2）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间T1～T2内完成的，此温度区间称为钢材的脆性转变温度区。影响钢材性能主要因素——温度的影响冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1T0T2三、冲击韧性和温度关系示意图（3）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。影响钢材性能主要因素——温度的影响冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1T0T2三、冲击韧性和温度关系示意图（4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T1,接近T0。影响钢材性能主要因素——温度的影响冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1T0T2影响钢材性能主要因素——应力集中一、应力集中的影响在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。影响钢材性能主要因素——应力集中二、不